Профиль ветра

Логарифмический профиль ветра — это полуэмпирическое соотношение, обычно используемое для описания вертикального распределения горизонтальных средних скоростей ветра в самой нижней части планетарного пограничного слоя . Это соотношение хорошо описано в литературе. ^[1]

Логарифмический профиль скоростей ветра обычно ограничен нижними 100 м атмосферы (т. е. поверхностным слоем атмосферного пограничного слоя ). Остальная часть атмосферы состоит из оставшейся части планетарного пограничного слоя (примерно до 1000 м) и тропосферы или свободной атмосферы. В свободной атмосфере следует использовать геострофические соотношения ветра.

Определение

Уравнение для оценки средней скорости ветра ( ) на высоте (метры) над землей имеет вид: ${\displaystyle u_{z}}$ ${\displaystyle z}$

${\displaystyle u_{z}={\frac {u_{*}}{\kappa }}\left[\ln \left({\frac {z-d}{z_{0}}}\right)+\psi (z,z_{0},L)\right]}$

где - скорость трения (мс ⁻¹ ), - постоянная Кармана (~0,41), - смещение нулевой плоскости (в метрах), - шероховатость поверхности (в метрах), а - член устойчивости , где - длина Обухова из теории подобия Монина-Обухова . В условиях нейтральной устойчивости и выпадает, и уравнение упрощается до: ${\displaystyle u_{*}}$ ${\displaystyle \kappa }$ ${\displaystyle d}$ ${\displaystyle z_{0}}$ ${\displaystyle \psi }$ ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle z/L=0}$ ${\displaystyle \psi }$

${\displaystyle u_{z}={\frac {u_{*}}{\kappa }}\left[\ln \left({\frac {z-d}{z_{0}}}\right)\right]}$.

Смещение нулевой плоскости ( ) — это высота в метрах над землей, на которой достигается нулевая средняя скорость ветра из-за препятствий потоку, таких как деревья или здания. Это смещение можно приблизительно оценить как ² / ₃ до ³ / ₄ средней высоты препятствий. ^[2] Например, если оценивать ветер над пологом леса высотой 30 м, смещение нулевой плоскости можно оценить как d = 20 м. ${\displaystyle d}$

Длина шероховатости ( ) является корректирующей мерой для учета влияния шероховатости поверхности на поток ветра. То есть, значение длины шероховатости зависит от рельефа местности. Точное значение субъективно, и в ссылках указывается диапазон значений, что затрудняет указание окончательных значений. В большинстве случаев ссылки представляют собой табличный формат со значением , указанным для определенных описаний рельефа. Например, для очень плоской местности (снег, пустыня) длина шероховатости может находиться в диапазоне от 0,001 до 0,005 м. ^[2] Аналогично, для открытой местности (пастбища) типичный диапазон составляет 0,01–0,05 м. ^[2] Для пахотных земель и кустарников/лесов диапазоны составляют 0,1–0,25 м и 0,5–1,0 м соответственно. При оценке ветровых нагрузок на сооружения местности могут быть описаны как пригородные или густонаселенные, для которых диапазоны обычно составляют 0,1–0,5 м и 1–5 м соответственно. ^[2] ${\displaystyle z_{0}}$ ${\displaystyle z_{0}}$

Чтобы оценить среднюю скорость ветра на одной высоте ( ) на основе средней скорости ветра на другой высоте ( ), формулу следует переписать, ^[2] ${\displaystyle {{z}_{2}}}$ ${\displaystyle {{z}_{1}}}$

${\displaystyle u({{z}_{2}})=u({{z}_{1}}){\frac {\ln \left(({{z}_{2}}-d)/{{z}_{0}}\right)}{\ln \left(({{z}_{1}}-d)/{{z}_{0}}\right)}}}$,

где - средняя скорость ветра на высоте . ${\displaystyle u({{z}_{1}})}$ ${\displaystyle {{z}_{1}}}$

Пределы

Логарифмический профиль ветра обычно считается более надежным оценщиком средней скорости ветра, чем степенной закон профиля ветра в нижних 10–20 м планетарного пограничного слоя. Между 20 м и 100 м оба метода могут давать разумные прогнозы средней скорости ветра в нейтральных атмосферных условиях. От 100 м и почти до верхней части атмосферного пограничного слоя степенной закон дает более точные прогнозы средней скорости ветра (предполагая нейтральные атмосферные условия). ^[3]

Обсуждавшееся выше предположение о нейтральной устойчивости атмосферы является обоснованным, когда среднечасовая скорость ветра на высоте 10 м превышает 10 м/с, где турбулентное перемешивание преобладает над атмосферной нестабильностью. ^[3]

Приложения

Логарифмические профили ветра создаются и используются во многих моделях рассеивания атмосферных загрязнений . ^[4]

Смотрите также

• Закон силы профиля ветра
• Список моделей атмосферной дисперсии

Ссылки

1. Оке, ТР (1987). Климат пограничного слоя . Метуэн.
2. Холмс Дж. Д. Ветровая нагрузка конструкций. 3-е изд. Бока-Ратон, Флорида: CRC Press; 2015.
3. Cook, NJ (1985). Руководство для проектировщиков по ветровой нагрузке строительных конструкций: Часть 1. Баттервортс.
4. Бейчок, Милтон Р. (2005). Основы рассеивания дымовых газов (4-е изд.). Автор-издатель. ISBN 0-9644588-0-2.